Controlar el espacio y tiempo de la luz

La luz estructurada, aquella radiación electromagnética en la que sus características se pueden controlar tanto en el espacio como en el tiempo; se ha consolidado en los últimos años como una herramienta clave en el mundo de la óptica moderna. Dentro de este tipo de luz una nueva investigación de la Universidad de Salamanca (Usal) se interesa por sus vórtices, por los que la luz gira alrededor de su eje de propagación, en concreto, los vórtices espaciotemporales, que presentan un acoplamiento singular entre sus distribuciones espacial y temporal. Esta estructura les otorga propiedades que pueden emplearse para explorar fenómenos físicos simultáneamente en el espacio y en el tiempo.

Hasta ahora, estos vórtices espaciotemporales solo se habían logrado generar experimentalmente en el rango del infrarrojo y la luz visible. «Obtenerlos más allá del ultravioleta representa un desafío significativo, principalmente por la limitación de los elementos ópticos empleados para su generación en estos rangos de frecuencias tan altos», explica Rodrigo Martín Hernández, estudiante de doctorado del grupo de investigación en Luz y Materia Estructuradas (LUMES) de la Usal.

Su equipo lidera este trabajo internacional con el que han demostrado, por primera vez, que es posible convertir un vórtice espaciotemporal en el infrarrojo al ultravioleta. Este avance abre la puerta a la realización de experimentos con resolución espaciotemporal extrema que podría redefinir nuestra comprensión de los procesos ultrarrápidos en la naturaleza en materiales, moléculas o nanoestructuras.

«Uno de los fenómenos clave que investigamos desde LUMES es la generación de armónicos de orden elevado (HHG), un proceso que permite convertir luz en el rango infrarrojo al ultravioleta extremo. Además, este proceso permite sintetizar pulsos de luz ultracortos, en la escala del attosegundo (una trillonésima de segundo). Nuestro enfoque en esta investigación se basa en emplear procesos ópticos no lineales, como HHG, que permiten trasladar las propiedades complejas tanto espaciales como temporales de un vórtice espaciotemporal en el infrarrojo hasta el ultravioleta extremo», añade.

«Los vórtices espaciotemporales son una clase de haces de luz estructurada que presentan un fuerte acoplamiento en el dominio espacial y temporal, lo que les confiere propiedades de propagación complejas. Estas características hacen que la distribución de intensidad y fase del haz evolucione de manera no trivial a medida que se propaga, abriendo un amplio abanico de potenciales aplicaciones».

Entre estas aplicaciones se encuentra la transmisión avanzada de información o la manipulación de nanopartículas. Por ello, «demostrar que es posible convertir estos vórtices, generados inicialmente en el infrarrojo, al rango del ultravioleta extremo mediante el proceso HHG representa un paso necesario para extender las aplicaciones de estos haces de luz. Esta conversión permitiría llevar las propiedades únicas de estos haces al régimen ultrarrápido, habilitando la exploración de fenómenos electrónicos a escalas espaciales nanométricas y con resoluciones temporales de hasta centenares de attosegundos. En otras palabras, abre la puerta a nuevas herramientas para el estudio de la dinámica electrónica de la materia con una precisión sin precedentes de manera simultánea en espacio y tiempo».

Esta iniciativa nace de una colaboración entre distintos grupos, tanto a nivel nacional como internacional. Se encuentra liderada desde el equipo salmantino, con Luis Plaja y Carlos Hernández García también a su cabeza, donde investigan el proceso de generación de vórtices espaciotemporales de alta frecuencia desde un punto de vista teórico. Este equipo se ha encargado de desarrollar los modelos teóricos y las simulaciones que permitieron guiar e interpretar con precisión los resultados experimentales.

Para el desarrollo del estudio contaron con la ayuda del profesor Miguel Ángel Porras, de la Universidad Politécnica de Madrid, cuya «larga trayectoria en el estudio de haces de luz estructurada, y en particular en la investigación de las propiedades de propagación de los vórtices espaciotemporales, han sido fundamentales. Gracias a su conocimiento profundo sobre estos vórtices, hemos podido integrarlos en nuestros códigos de simulación del proceso HHG, dónde en el grupo de la Usal tenemos una dilatada trayectoria utilizando este tipo particular de haces de luz». En paralelo, también participaron investigadores de la Universidad de Colorado de Estados Unidos.

Juntos han trabajado para demostrar la viabilidad de generar haces de luz complejos en un régimen en el que los elementos ópticos convencionales dejan de ser útiles. «En particular, buscamos trasladar estos vórtices espaciotemporales al rango del ultravioleta extremo, con el propósito de desarrollar nuevas herramientas ópticas que puedan aplicarse al estudio de fenómenos físicos ultrarrápidos, como la dinámica electrónica en la materia y crear un marco teórico sólido que permita comprender en profundidad estas observaciones experimentales. A través de este trabajo, hemos podido identificar el papel fundamental que desempeñan tanto el proceso HHG como la propagación posterior de los vórtices espaciotemporales en el ultravioleta extremo. Esto nos ha permitido predecir y explicar con precisión los resultados experimentales, reforzando la comprensión de este nuevo tipo de luz estructurada».

En una primera etapa, se centraron en el desarrollo del marco teórico necesario para describir la generación y propagación de vórtices espaciotemporales. Esta base asegura que fue fundamental para que pudieran interpretar correctamente los resultados experimentales obtenidos por el grupo de la Universidad de Colorado. Tras esto validaron dicho marco mediante la comparación directa con datos experimentales, «lo que culminó en la demostración, tanto teórica como experimental, de la generación de vórtices espaciotemporales en el régimen del ultravioleta extremo».

Actualmente, se encuentran en una fase orientada a llevar estos vórtices un paso más allá, hacia vórtices espaciotemporales con duraciones en la escala del attosegundo. «Este avance sería crucial para poder estudiar dinámicas físicas ultrarrápidas, especialmente aquellas asociadas a procesos electrónicos. En este momento estamos explorando y proponiendo nuevas configuraciones que permitan alcanzar estos regímenes temporales extremadamente cortos. Además, estamos comenzando a investigar en mayor profundidad otras propiedades intrínsecas de estos haces, como el comportamiento del momento angular orbital durante el proceso de conversión desde el infrarrojo hacia el ultravioleta extremo. Entender cómo se conserva esta propiedad a lo largo del proceso es esencial para aplicaciones futuras».

«Podría aplicarse a dinámicas electrónicas ultrarrápidas en el grafeno o los semiconductores»

«La generación de vórtices espaciotemporales en el ultravioleta extremo abre nuevas posibilidades tanto desde el punto de vista aplicado como fundamental. Estos haces podrían convertirse en herramientas clave para estudiar dinámicas electrónicas ultrarrápidas en materiales de gran interés actual, como el grafeno, los semiconductores o ciertos materiales magnéticos. La posibilidad de acceder simultáneamente a escalas espaciales nanométricas y temporales del orden de attosegundos permitirá investigar procesos que hasta ahora eran difícilmente observables. Desde una perspectiva más fundamental, este proyecto aporta un avance significativo en la comprensión de cómo se generan haces de luz estructurada complejos a través del proceso HHG», apunta Rodrigo Martín Hernández, investigador predoctoral del grupo LUMES de la Usal.

«A medio plazo, confiamos en poder confirmar experimentalmente la generación de estos vórtices con duraciones en la escala del attosegundo, lo que abriría la puerta a una nueva generación de experimentos con resolución espaciotemporal sin precedentes para explorar fenómenos electrónicos fundamentales».

«Una vez logremos generar vórtices espaciotemporales en escalas temporales del orden del attosegundo y entendamos mejor sus propiedades fundamentales durante el proceso de conversión, el siguiente paso natural será explorar nuevas formas de estructuración de la luz. En particular, nos gustaría investigar la combinación de vórtices espaciotemporales con vórtices puramente espaciales HHG, con el objetivo de crear haces aún más complejos y con un mayor grado de control sobre sus propiedades estructurales», remarca.

«Además, consideramos especialmente interesante comenzar a estudiar aplicaciones directas de estos haces en su interacción con distintos medios, como materiales bidimensionales. Por ejemplo, analizar como vórtices espaciotemporales interactúan con monocapas o bicapas de grafeno podría abrir nuevas líneas de investigación en óptica ultrarrápida en sólidos, así como en el estudio de dinámicas electrónicas acopladas en espacio y tiempo en sistemas cuánticos de baja dimensionalidad».